土力学土的抗剪强度.ppt

63,*,第5章 土的抗剪强度,土质学与土力学,吉林大学建设工程学院,剪切面（剪切带）：土体剪切破坏是沿某一面发生与剪切方向一,致的相对位移，这个面通常称为,剪切面,。,土的抗剪,强度,外力作用在土,体上,必然产生附加应力，也包括切应力，切应力达到一定程度时必然发生剪切破坏，而土体抵抗剪切破坏的极限能力就是土的,抗剪强度。,土的,抗剪强度,取决于土的类型及组成、颗粒级配、矿物成分、含水状态、土粒结构等自身原因，同时还受到应力状态的影响。,土体发生剪切破坏最终要形成贯通的破坏面。,峰值,强度：,土体破坏之前抗剪强度达到的最大值或临界值。,残余强度：,土体破坏之后抗剪强度的最小值或稳定后的值。,1土的抗剪,强度,-,工程危害示例,大阪的港口码头档土墙由于液化前倾,2,龙观嘴,黄崖沟,乌江,土的抗剪,强度,-,工程危害示例,2000,年西藏易贡巨型滑坡,3,日本新泻,1964,年地震引起大面积液化,4,粘土地基上的某谷仓地基破坏,无粘性土一般无连结，抗剪强度主要是由颗粒间的摩擦力组成，这与粒度、密实度和含水情况有关。,5,土的抗剪强度的数学表达,f,=tan,砂类土,f,f,=c+tan,粘性土,c,f,总应力表示法,可表示为,总应力表示法,和,有效应力表示法,。,其中,f,为抗剪,强度，,为法向应力，,c,为内聚力或粘聚力，,为内摩擦角,6,1.,作用于土体的有效应力等于总应力,和孔隙水压力,u,之差，即,2.,土体的强度及变形性质只取决于作用其上的有效应力，孔隙水压力对这些性质无影响。,式中，为土的有效粘聚力和有效内摩擦角。,有效应力表示法：,总应力表示法有广泛的应用性，因为当排水条件好，孔隙水压力很小时，总应力几乎都作用在土体颗粒上，故总应力法在工程中有很多情况下可以近似采用。,7,便于应用,但,u,不能产生抗剪强度，不符合强度机理，应用时要符合工程条件,土的抗剪强度的,有效应力指标,c,=c+,tg,=-u,符合土的破坏机理，但有时孔隙水压力,u,无法确定,土的抗剪强度的,总应力指标,c,=c+,tg,强度指标,抗剪强度,简单评价,总应力表示法和有效应力表示法之比较8,土的抗剪强度的试验方法,按,排,水,条,件,分,UU,试验,-,快剪（不排水剪）：,在剪切试验过程中土的含水量不,变，因此，无论加垂直压力或水平剪力，都必须迅速进行，不,让孔隙水排出。,适用范围：加荷速率快，排水条件差,CU,试验,-,固结快剪（固结不排水剪）：,试样在垂直压力下排水,固结稳定后，迅速施加水平剪力，以保持土样的含水量在剪切,前后基本不变。,试用范围：一般建筑物地基的稳定性，施工期间具有一定的固,结作用。,CD,试验,-,慢剪（固结排水剪）：,土样的上下两面均为透水石，,以利排水，在垂直压力作用下，待充分排水固结稳定后，再,缓慢施加水平剪力，直至土样破坏。,适用范围：加荷速率慢，排水条件好，施工期长，,9,直接剪切试验,优点：仪器构造简单，操作方便,缺点：（,1,）剪切面不一定是试样抗剪能力最弱的面；,（,2,）剪切面上应力分布不均，且受面积愈来愈小；,（,3,）不能控制排水条件，测不出孔隙水压力的变化。,三轴剪切试验,优点：（,1,）试验中能控制排水条件及测定孔隙水压力变化；（,2,）剪切,面不固定；（,3,）应力状态明确；（,4,）除抗剪强度外，能测定其它指标。,缺点：（,1,）操作复杂；（,2,）所需试样多；（,3,）主应力方向固定不变，,且只反映轴对称情况，与实际情况尚不符。,土的抗剪强度的试验方法,按,试,验,仪,器,分,环剪试验,优点：（,1,）试验中能控制排水条件及测定孔隙水压力变化；（,2,）应力,状态明确；（,3,）剪切面积大，高速、高压，更接近实际情况（,4,）能测,出峰值强度和残余强度。,缺点：（,1,）剪切面人为确定；（,2,）操作复杂；（,3,）所需试样多，且为,扰动样。,10,土的抗剪强度试验,直接剪切试验,试验仪器：,直剪仪（应力控制式，应变控制式）,11,12,13,在法向应力,作用下，剪应力与剪切位移关系曲线如图所示，可以显示出峰值强度和残余强度。,直接剪切试验,a,b,剪切位移,l,(0.01mm),剪应力,（,kPa,),a,点,对应峰值强度,b,点,对应残余强度,14,在不同的垂直压力,下进行剪切试验，得相应的抗剪强度,f,，,绘制,f,-,曲线，得该土的抗剪强度包线,15,三轴,剪,切,试,验,16,3,3,3,3,3,3,试验原理,将,试样置于压力室中，土样受三向压力，通过控制三向压力大小组合关系，研究土样产生斜向或沿弱面破裂的特征。试样破坏的本质是压,剪型。,根据受压力大小的组合关系，可分为,常规三轴,真三轴试验,三轴挤长,三轴压缩,17,试验步骤,:,2.,施加周围压力,3.,施加竖向压力,1.,装样,分为不固结不排水试验、固结不排水试验和固结排水试验。,18,三轴剪切试验,抗剪强度包线,c,分别在不同的周围压力,3,作用下进行剪切，得到,3,4,个不同的破坏应力圆，绘出各应力圆的公切线即为土的抗剪强度包线,。,抗剪强度包线,19,环剪试验,仪器名称：,高速高压大型环剪试验机,主要功能：,可测土的抗剪强度、孔隙水压力随时间变化的历程,主要特点：,高速：最大运动速度可达,30cm/s,高压：最大压力可达,500kPa,20,环剪试验,仪器构造：,一般包括三部分，即主机，控制台和控制系统,可完成的试验项目,排水,不排水,固结慢剪,固结快剪,急速荷载,震动荷载,单向,双向,21,环剪试验,可测定参数：,孔隙水压力,动态发生变化,内聚力,土的抗剪强度：,峰值强度，残余强度,摩擦角,：,运动状态下,瞬时荷载下,22,抗剪强度的基本理论,土的屈服特性：,土的屈服是随应力作用经加荷、卸荷、再加荷反复过程不断硬化的过程，土的破坏是强度问题，而屈服过程的极限结果是破坏。,控制土破坏的,强度理论,或,破坏准则,是指对土的屈服、破坏现象和机理的科学假说。,常用的破坏准则,最大切应力理论,库仑,-,莫尔,(,Columb,-,Hohr,),理论,米塞斯（,Mises,）,理论,Druker,-,Prager,理论,23,最大切应力理论,先由库仑提出，后被特雷斯加推广应用到塑性流动的情况，表达式为,米塞斯,（,Mises,）,理论,德鲁克,-,普拉格,理论,该理论认为材料的应变能达到极限时就进入破坏状态，其方程表达式为,式中,I,1,为应力偏张量第一不变量,J,1,为应力偏张量的第二不变量,24,各种破坏准则,25,库仑定律（剪切定律）,f,=c+tan,粘土,c,f,f,=tan,砂土,f,1776,年，库仑根据,砂土,剪切试验,得到如下曲线，后推到粘性土中,26,库仑定律：,土的抗剪强度是剪切面上的法向总应力,的线性函数,c,:,土的粘聚力,:,土的内摩擦角,（,1,）,土的抗剪强度由土的内摩擦力,和内聚,力两部分组成；,（,2,）内摩擦力与剪切面上的法向应力成正,比，其比值为土的内摩擦系数,；,（,3,）,表征抗剪强度指标：土的内摩擦角,和内聚力,c,。,砂土,粘性土,库仑定律说明,：,27,库仑,摩尔理论,摩尔在库仑研究的基础上提出了摩尔圆和强度理论,该理论认为，材料的破坏既和某一截面上的切应力大小有关，也和作用于该面上的法向应力有关；在实际破坏面上切应力和法向应力呈某一函数关系，即上式也可以写成,根据这个函数关系确定的曲线叫摩尔抗剪强度包络线,28,在三向应力状态下，如果不考虑中间主应力的影响，对一点应力状态，有如下关系式,上式显然为一圆方程，圆心坐标为 ，半径为,这就是莫尔圆方程。,29,莫尔理论,临界破坏角,32,确定,c,31,30,当土样处于破坏时的,1,，,2,，,对应做出的莫尔圆成为极限莫尔应力圆。显然它和抗剪强度包罗线相切。,莫尔圆上每个点代表一个某种应力状态下的斜平面。,对一种土样可以有一系列的极限莫尔圆（对应不同的正应力和抗剪强度），而抗剪强度包罗线就是这些极限应力圆的公切线。,31,而实际破坏时临界状态时 ，即实际破裂面和最大主应力作用面之间的夹角。,从图中可看出，对称于横轴，有另一组对应的莫尔,圆的切线，表明实际岩土体有两组破裂面，且最大,主应力作用面分别呈,从莫尔圆看出，最大切应力作用面位置,据此，可得,32,从,RT,OAN,可以得到,极限平衡条件,或,临塑条件,33,莫尔,理论的缺点：,忽略了中间主应力,2,的影响。,为了消除或弥补这种缺陷，可考虑采用下面的形式：,34,库仑,莫,尔,理论的应用：,1.,确定土的 值。,强度线,极限应力圆,应力圆,与强度线,相离：,应力圆,与强度线,相切：,应力圆,与强度线,相割：,弹性平衡状态,极限平衡状态,破坏状态,35,也可以根据任意两个极限莫尔圆的 建立方程求解 值。,上式中也可以用有效应力表示，可解出 值。,36,2.,判断土样的破坏。,37,砂类土的,抗剪强度特征,内摩擦力的影响因素,颗粒间的摩擦力，咬合状态，剪胀作用，颗粒形状及矿物成分,值作为抗剪强度的指标。是反映土的凝聚力和内摩擦力的量化体现。,38,密实度对抗剪强度的影响,见图，不同的密实度的砂在相同围压,3,作用下应力,-,应变的关系，表现为明显的强度变化特征，峰值强度，残余强度很明显。,松,砂,抗剪强度随轴向应变的增加而增大，呈硬化型，整个剪切过程中表现为,剪缩特性,。,密砂内摩擦角大，孔隙比小，变化不明显。,剪胀特性,。,松砂和密砂在剪切最后最终强度趋于相同。,39,砂土临界孔隙比,临界孔隙比的概念,砂土在一定围压作用下当具有某一特定孔隙比时，在剪切过程中其体积既不膨胀，也不缩小，此时的孔隙比就称为临界孔隙比，以,e,cr,表示之。,临界孔隙比和围压大小的关系：,围压越,大，,e,cr,越小；,围压越小，,e,cr,越大。,如果,e,0,e,cr,，,该砂就是松砂；,e,0,e,cr,，,该砂就是密砂。,砂土的临界孔隙比,在动,荷载和静荷载下临界孔隙比不同。,40,室内实验的压力相对小，和实际工程有差异。,而野外的高压力对土的抗剪强度影响是，强度趋于常量。在整个高压作用下的受力过程中，土的抗剪强度包罗线可近似为三段：,砂类土在高压下的剪切特性：,初期,斜直线段；,中期,直线斜率降低；,后期,塑性变形出现，呈另一直线段。,41,例题,5-1,42,例题,5-2,同上题，说明为什么破坏面发生在,=57,的平面上，而不是发生在最大切应力作用面上？,解：,由有效应力原理，在,实际破裂面,上,在,=45,的斜面上（,最大切应力作用面,）,不,破坏,43,粘性土,的,抗剪强度特征,不排水剪强度,UU,试验，或快剪试验,总应力圆有无数多个，而有效应力圆则只有一个，故无法确定有效应力指标,显然，总应力莫尔圆半径相等，故是一条平行于横轴的直线，即,因此,44,无侧限抗压强度试验,饱和黏性土，做单轴实验即 ，则 ，如令,为单轴抗压强度，则,上式表明饱和黏土的抗剪强度等于无侧限（单轴）抗压强度的一半。,利用无侧限抗压强度实验可以测定土的灵敏度。,十字板剪切试验,弥补原状土样的试验精度而进行的现场试验。,45,固结不排水抗剪强度,CU,试验，或称,固结快剪,通过,p,c,和,3,比较来区分固结和超固结,图 饱和粘性土的,CU,试验,46,按总应力表示抗剪强度的方程式,按有效应力表示抗剪强度的方程式,47,固结排水抗剪强度,CD,试验或简称排水剪，过程中，,u,=,0,CD,试验中应力应变关系和体积变化图,正常固结土（,NC,）,剪缩,超固结土,(,OC),刚开始剪缩，接着剪胀,48,CD,试验,NC,土的抗剪强度包络线通过坐标原点，即,c,d,=0,，,抗剪强度方程为,CD,试验,OC,土的抗剪强度包络线近似为一条直线，,抗剪强度方程为,49,饱和粘性土在不同排水条件下按有效应力表示法的结果基本相同，即都可以得到一条近乎相同的抗剪强度包络线。,饱和粘性土在不同排水条件下总应力表示法的结果差异较大；,抗剪强度只与有效应力有关,结论,50,粘性土抗剪强度指标的选择应用,孔隙水压力能准确测定或计算出,地基或边坡的长期稳定性,有效应力法,孔隙水压力难以测定或计算出,饱和粘土的短期稳定性,总应力法,施工场地排水条件好，加荷速度慢,突发事件引发的稳定问题，如暴风、地震,施工场地排水条件差，加荷速度快，工期短,CD,试验,CU,或,UU,试验,UU,试验,51,粘性土的超固结状况及扰动问题,超固结土的特点,剪切时有,剪胀,现象，孔隙水压力为,负值,；,应力应变关系表现为,应变软化,现象，有明显的峰值强度和残余强度。,正常固结土的特点,剪切时如有排水，则有,剪缩,现象，孔隙水压力为,正值,；,应力应变关系表现为,应变硬化,现象，抗剪强度缓慢升高，最后趋于稳定。,为,保证土样的性质不变，要减小取样时对土的扰动性影响。,52,式中 ，为土的体积压缩系数，,V,为土样体积，,E,和,分别为土的弹性模量和泊松比。,孔隙水压力及孔压系数,各向等压作用下孔隙水压力的变化,等压条件下，有效应力,根据弹性理论,土样中由于孔隙水压力产生的孔隙体积压缩量为,孔隙水压力变化过程,式中 为孔隙的体积压缩系数。,53,式中，为各向等压条件下的孔压系数,前面两式相等，可得到,完全饱和土而言，因此,54,在偏向力（,1,-,3,）,作用下孔隙水压力的变化,此时，有效应力为,土样体积变化,在孔隙压力作用,u,1,下孔隙体积变化,体积变化等于孔隙体积变化即，,55,综合可得,土非理想的弹性体，故,对饱和土，,B,=1,，故,UU,试验中,CU,试验中，前期固结完成，,u,3,=0,CD,试验中,56,应力路径,概念：,土体加荷过程中，土体内某点应力状态的变化过程就称为应力路径，如果反映在坐标中，则以特征应力点在坐标中的移动轨迹。,各种不同类型的应力路径,1.,直剪试验中的应力路径,2.,三轴,UU,试验中的应力路径,3.,三轴,CU,试验中的应力路径,4.,三轴,CD,试验中的应力路径,5.,边坡稳定的应力路径,6.,分期加载时的应力路径,略,57,特殊粘性土的抗剪强度特征,软粘土的抗剪强度特征,膨胀性粘土的抗剪强度特征,土压缩性高，透水性小，触变性明显，灵敏度高，流变性显著。,沿海型：,淤泥及淤泥质土,内陆型：,泥炭质土,是指在一定压力下，浸湿、含水量增加能够产生膨胀的土。,液限,W,L,40%,自由膨胀率,富含亲水粘土矿物，如蒙脱石、伊利石是其重要特征。,58,红粘土的抗剪强度特征,热带及亚热带地区，温度高，降雨多，化学和生物风化作用强烈作用下富含铁质氧化物的红色粘土。,富含高岭石,。,压实粘性土的抗剪强度特征,1.,土粒结构的影响,2.,压实方法的影响,3.,龄期,-,触变效应,59,湿陷性黄土的抗剪强度特征,我国黄土高原地区，及东北、新疆部分地区。以风成为主，少有水成。,特征：,粉粒比例特别大，,50-80%,。土粒结构为蜂窝状，孔隙比大，含钙等盐类多；,天然含水量低，且钙质结核使使土在干时具有较大的强度。但遇水强度明显减弱。,60,粘性土的流变特征,1.,蠕变和流动,蠕变：,是指在应力稳定情况下应变随时间增长的特性，又叫,徐变,。,流动：,是蠕变的特殊情况，指随时间增长且有固定速率的剪切变形。,蠕变对软土地基沉降的影响,蠕变对边坡稳定性的影响,研究重点,61,2.,松弛特性,3.,土的长期抗剪强度,松弛：,是指在应变一定时，应力随时间降低的特性。,长期强度：,是指在当荷载小于某个数值时，土体在很长时间内也不会破坏，如果荷载大于该数值，则土体在短期内不破坏，但在长期后则要破坏，此界限荷载就称为土的长期强度。,62,土的动力强度特征,动荷载作用下土的抗剪强度降低,动荷载是指地震、爆破、动力机械、打桩、台风等引起振动荷载，它们的特点是都属于周期性反复荷载。,引起土抗剪强度降低，原因：,振幅、频率、加速度及质点运动速度等,饱和砂土的振动液化,砂土的抗剪强度方程：,饱和砂土在瞬间振动荷载下孔隙水压力急剧上升，且振动内摩擦角也大幅度降低，可使抗剪强度趋于,0,，整个土体有液化趋势。,砂土液化对工程影响巨大，属于地质灾害之一。,63,